Il campo elettrico è una grandezza vettoriale (indicata con il simbolo E) generata da una carica Q, definita in ogni punto dello spazio come rapporto tra la forza di Coulomb esercitata da Q su una carica di prova q collocata nel punto e il valore della carica di prova q.
In questa lezione, affronteremo la nozione di campo elettrico da un punto di vista concettuale, mettendo in luce le esigenze che portano all’introduzione di questa nuova grandezza. Faremo inoltre riferimento al parallelismo con la forza gravitazionale e con il campo gravitazionale.
Il concetto di campo elettrico
In fisica, il campo elettrico è una grandezza vettoriale che descrive l’effetto che una carica elettrica ha sulle altre cariche presenti nello spazio intorno ad essa. L’idea di campo elettrico è stata introdotta per spiegare il modo in cui l’interazione elettrica tra due corpi avviene a distanza.
Forza a distanza e campo elettrico
La forza elettrostatica e la forza gravitazionale sono due esempi di forze che agiscono a distanza. Ciò significa che non è necessario che i due corpi interagenti si toccano per esercitare una forza l’uno sull’altro. Tuttavia, questo concetto può apparire strano, in quanto sembra che una forza debba necessariamente essere trasmessa tramite un mezzo materiale.
Supponiamo di avere due conduttori carichi di segno opposto e collocati a grande distanza. La forza elettrica tra di loro tenderà ad attrarli, anche se la forza è molto debole a causa della distanza. Se una delle due cariche viene eliminata, ad esempio mettendo il conduttore a contatto col terreno per renderlo elettricamente neutro, ci si aspetterebbe che la forza elettrica tra i due conduttori svanisca. Tuttavia, in realtà la forza non scompare istantaneamente, ma impiega del tempo per raggiungere l’altra carica.
Il ruolo del campo elettrico
Per spiegare questo fenomeno, si utilizza il concetto di campo elettrico. Il campo elettrico è una grandezza vettoriale che descrive l’effetto che una carica elettrica ha sulle altre cariche presenti nello spazio intorno ad essa. In altre parole, la carica elettrica crea un campo elettrico che si estende nello spazio circostante e che agisce sulle altre cariche.
Quando la carica del conduttore sulla Terra viene eliminata, il campo elettrico creato da quella carica non scompare immediatamente, ma impiega del tempo per propagarsi fino al conduttore su Marte. Allo stesso modo, quando la carica viene ripristinata, il campo elettrico viene creato di nuovo e si propaga attraverso lo spazio fino al conduttore su Marte.
Quindi, il concetto di campo elettrico ci permette di comprendere come l’interazione elettrica tra due corpi avvenga a distanza, senza violare le leggi della relatività ristretta di Einstein.
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Forze a distanza e campi: campo gravitazionale, campo elettrico
In fisica, le forze a distanza, come la forza gravitazionale e la forza elettrica, agiscono su corpi che non sono in contatto fisico l’uno con l’altro. In questi casi, il concetto di campo è essenziale per spiegare come queste forze agiscano a distanza.
Campo gravitazionale
La massa della Terra genera un campo di forze attorno ad essa, noto come campo gravitazionale, che agisce su qualsiasi corpo dotato di massa nella sua regione di spazio. Il campo gravitazionale non fa cadere direttamente una pietra sulla Terra, ma agisce su di essa generando una forza che la fa cadere verso il centro della Terra.
Campo elettrico
Allo stesso modo, una carica elettrica genera un campo di forze intorno a sé, noto come campo elettrico. Il campo elettrico interagisce con altre cariche presenti nello spazio circostante, dando origine alla forza di Coulomb.
Il ruolo del campo
Il campo elettrico, il campo magnetico e il campo gravitazionale si propagano alla velocità della luce. Se una carica elettrica sulla Terra scompare improvvisamente, la carica su Marte continuerà a risentire dell’azione della forza elettrica ancora per poco più di 4 minuti, che è il tempo che impiega il campo per propagarsi dalla Terra a Marte. In questo lasso di tempo, il campo elettrico generato dalla carica sulla Terra continuerà a manifestare i propri effetti sulla carica su Marte.
Definizione di campo elettrico
In fisica, il campo elettrico è un campo di forze generato da una carica elettrica che agisce su qualsiasi altra carica nella sua regione di spazio. La definizione di campo elettrico può essere espressa attraverso la forza di Coulomb che una carica di prova q^+ subisce in presenza di una carica Q, definita come:
Definizione generale
E = (F)/(q^+)
Dove E rappresenta il campo elettrico generato dalla carica Q in un punto dello spazio circostante, F rappresenta la forza elettrica esercitata dalla carica Q sulla carica di prova q^+, e q^+ è convenzionalmente considerata positiva.
Formula particolare per carica puntiforme
Nel caso di una carica puntiforme Q, la formula per il campo elettrico diventa:
E = (1)/(4 π ε_0)(Q)/(r^2)(r)/(r)
Dove r è il vettore che congiunge Q con q^+ e diretto verso q^+, e ε_0 è la costante dielettrica del vuoto.
Carica di prova
È importante notare che la definizione di campo elettrico non pone alcun vincolo sulla carica Q che genera il campo elettrico. Inoltre, la formula particolare per la carica puntiforme indica che il campo elettrico dipende solo dalla carica che lo genera e non dalla carica di prova scelta per misurarlo.
Campo elettrico VS campo elettrico in un punto
Il campo elettrico è una grandezza vettoriale che si manifesta nello spazio circostante ad una carica elettrica Q. La definizione del campo elettrico si basa sulla forza di Coulomb che una carica di prova q^+ subisce in presenza di Q. Il campo elettrico generato da una carica corrisponde a un “insieme di vettori”, poiché per ogni punto dello spazio in cui è presente, il vettore di campo elettrico E varia.
La funzione del campo vettoriale
In generale, il campo elettrico può essere visto come un campo vettoriale, ovvero una funzione che a ogni vettore r dello spazio associa un vettore E(r) dello spazio:
E:R^3 → R^3 ; E:r ↦ E(r)
La formula del campo elettrico nel caso di una carica puntiforme Q, come già visto, è:
E(r) = (1)/(4 π ε_0)(Q)/(r^2)(r)/(r) (Q carica puntiforme)
Fonte: https://www.fisicarecreativa.it/elettricita/campo-elettrico.html
Caratteristiche e proprietà del campo elettrico
Analizziamo le principali proprietà che caratterizzano i campi elettrici:
1) Unità di misura del campo elettrico
L’unità di misura del campo elettrico è data dal rapporto tra newton e coulomb: E → (N)/(C). Nonostante la sua importanza nella teoria dell’Elettromagnetismo, non esiste un nome specifico per questa unità di misura.
2) Modulo del campo elettrico in un punto – Indipendenza del campo elettrico dal valore della carica di prova
Il campo elettrico in un punto è una grandezza vettoriale che si traduce in un vettore E(r). Il modulo del campo elettrico non dipende dalla carica di prova q^+ ma solo dalla carica Q che genera il campo e la distanza r che la separa da essa.
Ad esempio, nel caso di una carica puntiforme Q, il modulo del campo elettrico è dato da: E = (1)/(4 π ε_0)(|Q|)/(r^2). È possibile calcolare il modulo del campo E in un punto in cui non vi è alcuna carica di prova conoscendo il valore della carica Q che genera il campo e la distanza r che la separa da essa.
È importante sottolineare che a livello sperimentale la carica di prova deve essere “piccola” rispetto a Q, per evitare che il campo generato dalla carica di prova si sommi al campo generato dalla carica Q che si intende misurare.
Caratteristiche e proprietà del campo elettrico
1) Unità di misura del campo elettrico
L’unità di misura del campo elettrico è data dal rapporto tra newton e coulomb:
E → (N)/(C)
Nonostante l’importanza nella teoria dell’Elettromagnetismo, non è stata assegnata un nome all’unità di misura del campo elettrico.
2) Modulo del campo elettrico in un punto – Indipendenza del campo elettrico dal valore della carica di prova
Il campo elettrico in un punto è una grandezza vettoriale. Il suo modulo non dipende dalla carica di prova q^+. Nel caso di una carica puntiforme Q è dato da:
E = (1)/(4 π ε_0)(|Q|)/(r^2) (Q carica puntiforme)
3) Direzione e verso del campo elettrico in un punto – Indipendenza del campo elettrico dal segno della carica di prova
Il segno della carica di prova q regola il verso della forza di Coulomb F in relazione al segno della carica Q, ma non quello del campo elettrico E. Il verso del campo elettrico non dipende dal segno della carica di prova. Dipende solamente dal segno della carica Q.
4) Campo elettrico e distanza dalla carica che lo genera
Il campo elettrico è inversamente proporzionale al quadrato della distanza del punto dalla carica, quindi la sua intensità diminuisce all’aumentare della distanza analogamente a quanto accade con la forza di Coulomb.
5) Campo elettrico uniforme
Un campo elettrico E è uniforme se in qualunque punto dello spazio assume sempre lo stesso modulo, la stessa direzione e lo stesso verso.
Le proprietà del campo elettrico sono importanti nella comprensione dell’elettromagnetismo e nella sua applicazione pratica. Il campo elettrico è una grandezza fondamentale che ci permette di descrivere l’interazione tra cariche elettriche. Conoscere le sue caratteristiche ci consente di comprenderne il comportamento in diversi contesti e di utilizzarlo in modo efficace.
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